[論文レビュー] Electron cloud in the CERN accelerators (PS, SPS, LHC)

Giovanni Iadarola, G. Rumolo|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、CERNのPS、SPS、LHC加速器における電子クラウド効果を、特に密なビームバッチ運行条件下で調査している。実験的測定とシミュレーションを用いて、電子クラウドの形成がビーム不安定性、エミッタンス増大、熱負荷の主な要因であることを特定し、特にSPSおよびLHCにおける25nsビームトレイン条件下で、スクラビングおよびクリアリング電極がこれらの効果を効果的に抑制できることを示している。

ABSTRACT

Several indicators have pointed to the presence of an Electron Cloud (EC) in some of the CERN accelerators, when operating with closely spaced bunched beams. In particular, spurious signals on the pick ups used for beam detection, pressure rise and beam instabilities were observed at the Proton Synchrotron (PS) during the last stage of preparation of the beams for the Large Hadron Collider (LHC), as well as at the Super Proton Synchrotron (SPS). Since the LHC has started operation in 2009, typical electron cloud phenomena have appeared also in this machine, when running with trains of closely packed bunches (i.e. with spacings below 150ns). Beside the above mentioned indicators, other typical signatures were seen in this machine (due to its operation mode and/or more refined detection possibilities), like heat load in the cold dipoles, bunch dependent emittance growth and degraded lifetime in store and bunch-by-bunch stable phase shift to compensate for the energy loss due to the electron cloud. An overview of the electron cloud status in the different CERN machines (PS, SPS, LHC) will be presented in this paper, with a special emphasis on the dangers for future operation with more intense beams and the necessary countermeasures to mitigate or suppress the effect.

研究の動機と目的

• 高強度で密なビームバッチ運行条件下におけるCERNのPS、SPS、LHCにおける電子クラウド形成を特徴づけること。
• LHCおよびSPSにおける電子クラウド効果に起因するビーム不安定性、エミッタンス増大、熱負荷の根本的要因を特定すること。
• ビームスクラビングおよびクリアリング電極などの緩和戦略が電子クラウド密度を低減する効果を評価すること。
• シミュレーションモデルの実験的検証を通じて、真空チャンバ材料の表面特性（二次電子発射係数δ_maxおよび反射率R_0）を特定すること。
• LHCインジェクターアップグレード（LIU）プロジェクトを想定した長期的な高強度ビーム運行の可能性を、電子クラウド制限を考慮して評価すること。

提案手法

• 50nsおよび25nsのビームバッチ間隔を有するビームサイクル中に、遮蔽され偏位電圧をかけたピックアップをPSに設置し、時間分解能のある電子クラウド測定を実施した。
• SPS（2002–2007年）で専用のスクラビング走行を実施し、チャンバーワールドを電子クラウド粒子で照射することで、二次電子発射係数（SEY）を低減した。
• HEADTAILシミュレーションを用いてビームダイナミクスをモデル化し、クロマティシティおよび電子クラウド条件を変化させた場合の安定性を予測した。
• 測定データ（特にLHCのコールドダイポールにおける電子クラウド密度および熱負荷）と一致するように、シミュレーションモデルをキャリブレーションした。
• 複数回のMDセッション中にBSRTを用いてバッチごとのエミッタンスを測定し、異なるビームフィルの間での電子クラウドの進化を追跡した。
• ビームパラメータ（バッチ間隔、強度、長さ）を変化させ、逆問題モデリングにより表面特性（δ_max、R_0）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSおよびSPSにおける電子クラウド形成は、ビームパラメータ（バッチ間隔、強度、長さ）にどのように依存するか？
• RQ2 ビームスクラビングは、SPSおよびLHCにおける二次電子発射係数の低減および電子クラウド増大の抑制に、どの程度効果を示すか？
• RQ3 電子クラウドは、特に25nsバッチトレインにおいて、LHCのビームエミッタンス増大および寿命にどのような影響を及えるか？
• RQ4 クロマティシティ設定は、電子クラウド効果に起因する横方向不安定性の発生および増大にどのように影響するか？
• RQ5 シミュレーションモデルは、LHCにおける電子クラウド密度および熱負荷を正確に予測できるか？実験データと一致させるために必要な表面パラメータ（δ_max、R_0）は何か？

主な発見

• PSにおける電子クラウド形成は、ビーム生成の最終40–50 msに主に発生し、バッチ短縮と高速回転と一致しており、クリアリング電圧を印加することで抑制される。
• SPSでは複数回のスクラビング走行後、電子クラウド効果が顕著に低減されており、50nsまたは標準の25nsビームに対して悪影響を及ぼさない。
• LHCでは25nsビームにおいて持続的なエミッタンス増大および不安定性が観測され、ビームを安定化させるために高いクロマティシティ（Q′_x,y ≈ 15）が必要であることが示され、依然として電子クラウド効果が影響していることが示唆される。
• バッチごとのエミッタンス測定では、10月14日から10月25日までの間にビーム品質に明確な改善が見られ、各バッチの最初の2–3ビームが最小限のエミッタンス増大を示した。
• LHCのコールドダイポールにおける熱負荷測定値がシミュレーションと一致し、真空チャンバ表面のδ_max ≈ 1.45およびR_0 = 0.7が抽出された。
• 高クロマティシティ下では水平方向に電子クラウド効果が顕著に現れ、クロマティシティを低減すると、非共鳴的増大から高速不安定性への遷移が起こることを示唆している。